強震中波紅外異常特征研究

張麗峰, 郭 曉,2, 張 璇,2, 魏從信,2, 秦滿忠,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

強震中波紅外異常特征研究

張麗峰1, 郭 曉1,2, 張 璇1,2, 魏從信1,2, 秦滿忠1,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

為了研究強震中波紅外熱輻射異常變化特征,以風云衛(wèi)星中波紅外資料為基礎數(shù)據(jù),應用小波變換和功率譜估計方法對6次6.5～7.0級強震進行分析。結(jié)果表明:6次強震前3個月內(nèi)均存在明顯的中波紅異常變化,功率譜異常偏離年均值和標準差值較大,其異常幅度可達8倍,持續(xù)時間為50～105天。異常變化特征具有強震短期預測指標意義,同時可對即將投入實用的高分辨率靜止衛(wèi)星中波紅外資料在地震預測中的應用提供重要參考。

強震; 中波紅外; 異常特征

0 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術的發(fā)展,20世紀80年代前蘇聯(lián)科研人員首先注意到衛(wèi)星熱紅外遙感信息與地震之間存在著某種聯(lián)系[1]。近二十年來,國內(nèi)外地震工作者開展了衛(wèi)星遙感地震典型震例分析[2-6]、異常信息提取方法[7-8]和地震紅外異常機理[9-10]等方面的研究,取得了不少有意義的研究結(jié)果,為進一步推動衛(wèi)星遙感在地震預測預報中的應用研究打下了堅實的基礎。特別是近幾年來地震異常信息提取方法研究取得了較大進展,其主要有功率譜相對變化法、渦度背景場法和斷裂帶內(nèi)外溫差法等[11]。荊鳳等[12]應用渦度背景場法在研究中強震長波輻射異常時發(fā)現(xiàn)震前40余天到幾天均出現(xiàn)了不同程度長波輻射異常,這些可能與地震有關,但其異常幅度與震級不是簡單的線性關系。張元生等[13]用熱紅外資料對2008年以來汶川MS8.0等3次地震進行研究發(fā)現(xiàn),發(fā)震區(qū)域位于異常區(qū)邊緣或異常區(qū)內(nèi)的活動斷層上,發(fā)震時間位于最大特征幅值之后的35天內(nèi)。郭曉等[14]研究了6次強震長波輻射異常并提出“功率譜相對變化法”,結(jié)果表明大震之前存在明顯的長波輻射功率譜異常,其提取了容易識別及方便應用的熱輻射功率譜信息極值、功率譜增強持續(xù)時間等異常特征指標。此外,衛(wèi)星遙感資料具有覆蓋范圍大、連續(xù)性、重復性和能夠?qū)崟r更新等特點,可獲得大區(qū)域的與震情跟蹤監(jiān)視有關的測項數(shù)據(jù),如地表輻射場動態(tài)變化的圖像,其結(jié)果可應用于有關省地震局年中與年底地震會商中。

上述研究主要運用了衛(wèi)星遠紅外和長波輻射資料,而中波紅外資料對高溫物體非常敏感,常用于檢測資料覆蓋區(qū)內(nèi)的火山爆發(fā)狀況和大面積的火災情況,其在地震中的應用研究尚處于起步階段。郭曉等[15-16]利用靜止衛(wèi)星中波紅外資料對2008年以來汶川、于田等大地震進行初步研究,結(jié)果表明震前均存在較明顯的短臨熱輻射異?，F(xiàn)象。為進一步研究強震中波紅外熱輻射異常變化特征,同時為高分辨率對地觀測重大專項中高分4、5號靜止衛(wèi)星攜帶的中波紅外波段資料應用于地震預測預報提供參考,本文以風云靜止衛(wèi)星中波紅外資料為數(shù)據(jù)基礎,應用小波變換和功率譜計算數(shù)據(jù)處理方法對有資料覆蓋的6次6.5～7.0級強震進行分析研究。

1 數(shù)據(jù)獲取

所用數(shù)據(jù)來源于風云二號靜止氣象衛(wèi)星FY-2C、FY-2E、FY-2G(數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址:http://fy3.satellite.cma.-gov.cn/PortalSite/Data/Satellite.aspx)。FY-2C于2004年10月19日發(fā)射(FY-2E星為FY-2C的替代星于2008年6月15日發(fā)射,FY-2G星為FY-2E的替代星于2014年12月31日發(fā)射),定點于105°E赤道上空離地面35 000多km處,有效觀測范圍為45°～165°E,60°S～60°N。FY-2C/FY-2E/FY-2G衛(wèi)星主要有效載荷為可見光和紅外自旋掃描輻射器VISSR(Visible and infrared Spin Scan Radiometer),其通道標識IR1為長波紅外通道,波段范圍為10.3～11.3 μm;通道標識IR2為紅外分裂窗,波段范圍為11.5～12.5 μm;通道標識IR3為水汽通道,波段范圍為6.3～7.6 μm;通道標識IR4為中波紅外通道,波段范圍為3.5～4.0 μm。

風云靜止氣象衛(wèi)星每天至少觀測24次,正常觀測時間間隔為1 h,加密觀測時間間隔為30 min。觀測數(shù)據(jù)通過“靜止氣象衛(wèi)星云圖接收處理系統(tǒng)”處理后形成可二次開發(fā)的亮溫產(chǎn)品文件,并以HDF格式存儲。選擇每日世界時(GMT)15:00～20:00(即北京時間23:00到次日凌晨4:00)的多時次觀測數(shù)據(jù)以減少太陽輻射的影響,通過自編程序整理成區(qū)域5°～50°N、55°～150°E內(nèi)間隔緯度0.05°、經(jīng)度0.05°順序存儲的二進制文件(1個觀測時次為一個文件),再對區(qū)域內(nèi)每日多時次觀測數(shù)據(jù)文件計算其平均值構(gòu)成亮溫日值以去除部分云層影響。FY-2C衛(wèi)星的有效數(shù)據(jù)起始時間為2005年7月1日,本文獲取的數(shù)據(jù)處理起止時間為2006年1月1日—2015年12月31日。

2 數(shù)據(jù)處理方法

獲取的HDF格式數(shù)據(jù)經(jīng)過處理生成5°～50°N、55°～150°E區(qū)域內(nèi)間隔緯度0.05°、經(jīng)度0.05°順序存儲的二進制文件(1年為一個數(shù)據(jù)文件),截止2015年12月31日共有10年數(shù)據(jù)。這10年的中波紅外亮溫數(shù)據(jù)中包含地球基本溫度場、年變、日變、云雨和極端氣象現(xiàn)象、構(gòu)造活動(如地震)、地形地貌和植被等各種影響因素引起的溫度變化信息。從頻率域看,諸多影響因素具有不同的頻率[17],如日變、云雨和極端氣流現(xiàn)象引起的溫度變化時間較短,一般為幾小時至幾天,而地球基本溫度場和年變溫度場則屬于長周期成分。采用Daubecheies(dbN)小波系中的db8小波基對中波紅外亮溫資料進行小波變換處理,并對其進行功率譜計算和相對處理,最后生成時頻相對功率譜空間數(shù)據(jù)。具體的中波紅外亮溫資料小波變換、功率譜計算和相對處理過程在文獻[14-15]中有較詳細地敘述,在此不再贅述。到目前為止,已積累了10年的完整數(shù)據(jù),以區(qū)域大小為0.5°×0.5°范圍為例,計算區(qū)域相對功率譜時序值、年均值和標準差。

時序值計算式為

(1)

式中:wij為小區(qū)域第i天第j個像元的相對功率譜值。

年均值計算式為

(2)

式中:wijk為小區(qū)域第k年(2006—2015)的第i天第j個像元的相對功率譜值。

標準差計算式為

(3)

式中:wijk同式(2)。式(2)和(3)不考慮閏年的情況。

3 震例分析及結(jié)果

(1) 2012年6月30日新疆新源—和靜發(fā)生MS6.6地震,該地震是塔里木塊體在NNE方向力的作用下,伊犁盆地北緣斷裂發(fā)生右旋走滑逆沖破裂所致,其發(fā)震構(gòu)造是伊犁盆地北緣斷裂[18]。此次地震前后的中波紅外相對功率譜異常主要分布在塔里木盆地(圖1)。具體過程為:6月初異常稀疏地散布于整個塔里木盆地,幅度小;隨時間推移,其幅度和面積不斷增大,分布形態(tài)與塔里木盆地相似且其邊界與斷層相關,異常東南邊緣以阿爾金斷裂為界并與其走向一致,北部以庫姆格列木斷裂和哈桑托開斷裂為邊界,西部以安大力克斷裂和奧茲格爾他烏斷裂為邊界;隨后異常逐漸減弱,7月20日前后主要集中在震中以南的小區(qū)域內(nèi),到8月中旬異常零星地分布在震中南部與北部。該地震達異常峰值時大于8倍的面積約為6萬km2,功率譜的對應周期為11天。其時序曲線[圖2(a)]顯示,小區(qū)域地震當年時序曲線在震前26天(即2012年6月4日)開始偏離年均值和標準差曲線,震后16天(即7月16日)偏離程度達到極值,相對功率譜峰值約為19倍,但同時可看到新疆新源—和靜地震臨震階段內(nèi)功率譜異常偏離年均值和標準差值較大,地震前后持續(xù)偏離年均值和標準差的時間為105天。

(2) 2012年11月11日緬甸發(fā)生MS7.0地震。此次地震的中波紅外相對功率譜異常在8月底出現(xiàn)于震中的西北和東南部;隨時間推移,異常沿順時針方向轉(zhuǎn)移并最終集中于震中北部和南部,9月下旬震中南部異常向震中靠攏并逐漸包絡震中,幅度迅速增大(圖3);隨后異常幅度有所減弱,面積也有所收縮,至10月中旬又有一次小幅回升,震中及南北部異常貫穿形成了南北向的條帶狀分布形態(tài);最后整個異常減弱,至10月底基本消失。該異常達峰值時大于8倍的面積約為9萬km2,功率譜的對應周期為13天。其時序曲線[圖2(b)]顯示,中波紅外異常變化出現(xiàn)在此次地震前短期時間內(nèi),小區(qū)域地震當年時序曲線在震前74天(即2012年8月29日)開始偏離年均值與標準差曲線,震前48天(即9月24日)偏離程度達到最大,相對功率譜峰值約為22倍,地震前持續(xù)偏離年均值與標準差的時間為56天。

(3) 2013年4月20日四川蘆山發(fā)生MS7.0地震,震中位于龍門山斷裂帶南段。龍門山斷裂帶為典型的逆沖推覆構(gòu)造,具有前展式發(fā)育特征。此次地震為龍門山斷裂帶持續(xù)向東南逆沖擴展、地殼擠壓縮短的產(chǎn)物[19]。地震中波紅外相對功率譜異常出現(xiàn)于4月上旬,主要分布在震中及其東南部;隨時間推移,異常沿鮮水河斷裂方向以條帶狀形態(tài)向震中發(fā)展,幅度不斷增強,4月20日可明顯觀察到震中邊緣異常恰位于龍門山后山斷裂與鮮水河斷裂交匯處;4月27日異常幅度達到峰值(圖3),隨后東南部連向震中的異常條帶有所減弱,5月中旬異常幅度又出現(xiàn)較明顯的增強現(xiàn)象,此后逐漸減弱,到6月初異常基本消失。中波紅外異常功率譜達峰值時大于8倍的面積約為4 000 km2,對應周期為13天。其時序曲線[圖2(c)]顯示出相對功率譜峰值出現(xiàn)在4月27日(即震后7天),約10倍,2013年4月8日(震前12天)開始偏離年均值與標準差值曲線,至6月11日結(jié)束。同時可觀察到蘆山地震臨震階段內(nèi)功率譜異常偏離年均值和標準差值較大,地震前后持續(xù)偏離年均值與標準差的時間為64天。

(4) 2013年7月22日在甘肅岷縣漳縣交界處發(fā)生了MS6.6地震。該地震位于臨潭—宕昌斷裂帶中東段上[20]。該次地震的中波紅外相對功率譜異常出現(xiàn)于5月中旬,主要分布在震中及其東南部;異常區(qū)域隨時間逐漸增大,震中區(qū)域異常經(jīng)過光蓋山—迭山北麓斷裂,震中東南部異常經(jīng)過龍門山斷裂持續(xù)向東南方向發(fā)展,其展布與龍門山斷裂一致,并于6月中旬幅值達極值(圖3);隨后震中部位異常逐漸減弱,至6月下旬消失;震中東南部異常以龍門山斷裂為邊界向西北方向收縮,并于7月初基本消失,整個異常均出現(xiàn)在地震之前。該異常達峰值時大于8倍的面積約為6萬km2,功率譜的對應周期為13天。從其時序曲線[圖2(d)]可發(fā)現(xiàn),功率譜異常變化出現(xiàn)在此次地震前短期時間內(nèi),震中附近小區(qū)域地震當年時序曲線在震前63天(即2013年5月20日)開始偏離年均值與標準差曲線,震前45天(即6月6日)偏離程度達到最大,相對功率譜幅值約為8倍,持續(xù)偏離年均值與標準差的時間為57天。

(5) 2014年8月3日云南魯?shù)榘l(fā)生MS6.5地震。該地震屬等傾角左旋走滑型地震,發(fā)震斷層為NW向包谷垴—小河斷裂,屬大涼山斷裂南段組成部分[21]。該地震的中波紅外相對功率譜異常出現(xiàn)于5月初,主要分布在震中東北部;隨時間推移,震中東北邊緣異常經(jīng)得雨錯—飲馬湖斷裂逐漸往東南方向發(fā)展,最終異常分布形態(tài)呈三角形狀(圖3),震中恰位于異常邊緣的一角上,異常主要分布在四川、云南、貴州交界處的小區(qū)域內(nèi);最后異常沿西北方向收縮,至6月下旬完全消失,整個異常變化從出現(xiàn)到消失都發(fā)生在地震之前。該異常達峰值時大于8倍的面積約為2萬km2,功率譜的對應周期為32天。其時序曲線[圖2(e)]顯示,小區(qū)域地震當年時序曲線在震前105天(即2014年4月16日)開始偏離年均值與標準差曲線,震前85天(即5月10日)偏離程度達到極值,相對功率譜幅值約為12倍,持續(xù)偏離年均值與標準差的時間為68天。

圖1 新疆新源—和靜6.6級地震相對功率譜時空演化圖Fig.1 Spatio-temporal evolution of relative power spectrum anomalies for Xinyuan—Hejing MS6.6 earthquake

圖2 區(qū)域地震當年、年平均和標準差相對功率譜時序曲線Fig.2 Time-series curves of relative power spectrum for the seismic year,annual average and standard deviation

圖3 強震中波紅外相對功率譜峰值時空分布(時序曲線對應的0.5°×0.5°區(qū)域,如白框所示)Fig .3 Spatial and temporal distribution of maximum relative power spectrum of medium-wave infrared for six strong earthquakes (The corresponding 0.5°×0.5° area of temporal curve,as the white box shown)

(6) 2014年10月7日云南景谷發(fā)生MS6.6地震,是茶房—普文斷裂帶貫通過程的構(gòu)造活動表現(xiàn)[22]。此次地震的中波紅外功率譜異常出現(xiàn)于8月中旬,主要分布在震中及其周圍的小區(qū)域內(nèi);此次地震異常范圍較小,異常區(qū)域內(nèi)斷層錯綜復雜,被瀾滄江斷裂和鎮(zhèn)遠—普洱斷裂所包圍,隨時間推移異常不斷增強,異常顯著區(qū)位于三林場—思永街斷裂之上(圖3);隨后異常向震中收縮,于9月初消失,異常整體演化過程都集中在震中附近并完全出現(xiàn)在發(fā)震之前。該地震功率譜異常幅值達極值時大于8倍的面積約為3 000 km2,對應周期為11天。其時序曲線[圖2(f)]顯示,震中小區(qū)域地震當年時序曲線在震前77天(即2014年7月22日)開始偏離年均值與標準差曲線,震前38天(即8月30日)偏離程度達到極值,相對功率譜幅值為8倍,持續(xù)偏離年均值與標準差曲線的時間為53天。

綜上所述,6次強震前3個月內(nèi)均存在明顯的中波紅外異常變化,其主要異常變化特征如表1所列。其中4次強震的異常變化過程完全出現(xiàn)在地震之前,而新源、蘆山地震異常變化在震前短臨階段內(nèi)開始出現(xiàn),持續(xù)到了震后;地震當年功率譜異常偏離年均值和標準差值較大,其異常幅度可達8倍及以上,偏離持續(xù)時間為50～105天;異常變化達峰值時對應的面積均在幾千到幾萬km2,功率譜的對應周期介于11～32天。岷縣等4次地震當年功率譜異常偏離年均值和標準差值程度最大時出現(xiàn)在震前3個月內(nèi),而新源和蘆山地震偏離程度最大值雖然出現(xiàn)在震后,但其在震前短臨階段內(nèi)偏離程度已較大,功率譜幅度達8倍以上。這些異常變化特征具有強震短期預測指標意義,對即將投入實用的高分辨率靜止衛(wèi)星中波紅外資料在地震預測中的應用可提供重要參考。

表1 地震中波紅外功率譜異常特征

4 結(jié)論與討論

本文以風云衛(wèi)星中波紅外資料為基礎數(shù)據(jù),應用小波變換和功率譜估計方法,對6次6.5～7.0級強震進行分析研究。結(jié)果表明,6次強震前3個月內(nèi)均存在明顯的中波紅外異常變化,功率譜異常偏離年均值和標準差值較大,其異常幅度可達8倍及以上,偏離持續(xù)時間為50～105天。岷縣等4個強震的異常演化和異常峰值均出現(xiàn)在地震發(fā)生前,而新源、蘆山地震異常變化在震前短臨階段內(nèi)開始出現(xiàn)并持續(xù)到了震后,同時新源和蘆山地震功率譜異常幅值在震前短臨階段內(nèi)已達到8倍以上。6次強震功率譜異常達峰值時對應的面積均在幾千到幾萬km2,對應周期介于11～32天。中波紅外相對功率譜異常幅值達到8倍以上,持續(xù)偏離年均值與標準差值的時間大于50天等異常變化特征指標容易識別且便于應用,并具有地震短期預測意義,可為高分辨率對地觀測重大專項中高分4、5號靜止衛(wèi)星攜帶的中波紅外波段資料應用于地震預測提供重要參考,同時也可為將來實現(xiàn)多波段同時監(jiān)測地震重點危險區(qū)的熱輻射變化進行震情跟蹤提供參考。

但本文提取的這些異常變化特征指標是初步的,需要更多震例和實踐應用來加以完善。在實際應用中,由于中波紅外相對功率譜異常面積、偏離多年均值與標準差的持續(xù)時間和幅度等與地震震級的關系不明顯,如要對可能發(fā)生的地震三要素進行判斷,需要將斷層的地震活動性、地形變、GPS及流體觀測等手段結(jié)合起來使用。

致謝:感謝國家衛(wèi)星氣象中心提供的靜止氣象衛(wèi)星中波紅外遙感資料。

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Anomaly Characteristics of Medium-wave Infrared Data prior to Strong Earthquakes

ZHANG Li-feng1, GUO Xiao1,2, ZHANG Xuan1,2, WEI Cong-xin1,2, QIN Man-zhong1,2

(1.LanzhouInstituteofSeismology,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China; 2.LanzhouNationalObservatoryofGeophysics,CEA,Lanzhou730000,Gansu,China)

In this study, we investigated the medium-wave infrared anomaly characteristics prior to the occurrence of strong earthquakes. We use wavelet transformation and relative power spectrum estimation methods to analyze medium-wave infrared data from an FY stationary meteorological satellite prior to the occurrence of six strong earthquakes with magnitudes of 6.5～7.0. The results show that obvious medium-wave infrared anomalies occurred within three months of the six strong earthquakes. In addition, the relative power spectrum value greatly deviated from the annual average and standard deviation in a 50～105 day period. The anomalies of the Xinyuan-Hejing and Lushan earthquakes appeared in a brief period prior to the two earthquakes and continued until they had stopped. In the brief period before the earthquakes, the power spectrum anomaly values increased by a factor of more than eight. The main evolution and peak of the anomalies of the remaining four earthquakes all appeared prior to the earthquakes and their power spectrum anomaly values also increased by a factor of more than eight. The corresponding areas where the anomaly values reached their peaks ranged from several thousands to tens of thousands of square kilometers, and the corresponding periods ranged from 11 to 32 days. The relative power spectrum value deviates from the annual average and standard deviation and the period of deviation is more than 50 days. All these characteristics can be easily recognized and used to expediently predict earthquakes. Moreover, the use of high-resolution medium-wave infrared data from key earthquake hazardous areas can provide a reference for seismic prediction.

strong earthquakes; medium-wave infrared; anomaly characteristics

2016-05-08 基金項目：高分遙感地震監(jiān)測與應急應用示范系統(tǒng)(一期)(31～Y30B09～9001～13/15) 作者簡介：張麗峰(1989-),女,甘肅會寧人,碩士研究生,主要研究方向為地震紅外異常研究。E-mail:ZhangLFng@163.com。

P315.73;TN219

A

1000-0844(2016)06-0977-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0977